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第1章 導論

這是一本關于計算機結構和功能的書，其目標是盡可能清晰而完整地介紹當代計算機系統的性質和特征。這項任務頗具挑戰性，主要原因有兩方面。

首先，從只值幾美元的單片機到價值幾千萬美元的超級計算機，這中間有多種產品都可以稱為計算機。多樣性不僅表現在計算機的成本上，而且還表現在計算機的體積大小、性能和應用上。其次，計算機技術發展的步伐相當快，絕無停頓。這些發展表現在計算機技術的各個方面，從用于構成計算機部件的底層集成電路技術，到越來越廣泛采用的將這些部件組合起來的并行組織技術。

盡管計算機領域內富有多樣性并且仍在改變，但始終存在一些基本概念。當然，這些概念的應用依賴于技術的發展狀況，以及設計者所要達到的性能/價格目標。本書的目的在于深入地討論計算機組織與結構的基本原理，并將它們應用到當代計算機設計問題中去。作為介紹性的章節，本章簡略地討論將要采用的描述方法，并對本書其余部分進行概述。

1.1 計算機組織與體系結構

要描述計算機系統，就要清楚地區分計算機體系結構(computcr architccture)和計算機組織(cmputcr。rganizati。n)這兩個概念。雖然很難給出這兩個術語的定義，但對它們所涉及的領域則存在著共識(見參考文獻[VRAN8。]、[SIEW82]和[BELL78a]

計算機體系結構是指那些對程序員可見的系統屬性。換句話說，這些屬性直接影響到程序的邏輯執行。計算機組織是指實現其結構規范的操作單元及其相互連接。例如’結構的屬性包括指令集、表示各種數據類型(例如，整型、字符型)的比特數、輸入輸出機制以及內存尋址技術。組織的屬性包括那些對程序員透明的硬件細節，如控制信號、計算機和外設的接口以及存儲器使用技術。

例如，計算機是否有乘法指令是結構設計問題。而這條指令是由特定的乘法單元實現，還是通過重復使用系統的加法單元來實現，則是一個組織問題。決定使用哪種組織需要考慮預期使用乘法單元的頻度，考慮兩種方案的相對速度，還需要考慮一個特定乘法單元的成本和物理尺寸等因素。

無論過去還是現在，了解結構和組織的差別都是很重要的。計算機制造商往往提供一系列型號的計算機，它們都有相同的結構，但組織卻不同。因而，某一系列中不同型號的計算機的價格和性能特點也不相同。一種結構可能存在多年，但它的組織則隨著技術的進步而不斷更新。這種現象的一個突出例子就是IBM System/370結構，這種結構于1970年推出，包括多種型號。僅有低要求的客戶可以購買較便宜的、速度較慢的類型。如果今后要求提高了，可以升級到更貴的、速度更快的類型，從而不必丟棄已經開發的軟件。幾年來，IBM通過改進技術推出了許多新型號來替代舊的型號，為用戶提供高速、低價或二者兼而有之的產品。這些新型號保留了同樣的結構，因而保障了用戶的軟件投資。值得注意的是，Systcm/370體系結構經過幾次增強，不但生存至今，而且仍是IBM的旗艦產品。

在被稱為微型計算機一類的系統中，體系結構和組織的關系非常密切。技術的更新不僅影響了計算機的組織，還導致了更強大且更復雜的體系結構。通常，越小的機器，新舊兩代之間的兼容性要求就越少，因此組織和體系結構設計決策的關系就更加密切。關于它的一個有趣例子是精簡指令集計算機(RISC)，本書將在第13章進行深人探討。

本書介紹計算機組織和計算機體系結構兩個方面的內容，或許更強調組織方面的內容。但是，計算機組織的設計必須遵照特定的體系結構規范，所以對組織的深入論述也要求對體系結構有同樣細致的考察。

1.2 結構和功能

計算機是一個復雜的系統，當代計算機包含數百萬個電子元件，怎樣才能清楚地描述它呢？關鍵就在于認識包括計算機在內的大多數復雜系統的分層性質[SIMO96]。層次系統是一組互相關聯的子系統，每個子系統又在結構上分層，直到分成最基本的子系統。

復雜系統的層次特性是設計和說明它們的基礎。設計者每次只需處理某個特定的層即可，每一層由一組部件及其相互關系組成。每一層的行為僅依賴于其下一層更為簡單的抽象特征。在每一層上，設計者關心的是結構和功能.。

結構：部件相互關聯的方式。

功能：作為有關結構組成部分的各個部件的操作。

根據描述，有兩種選擇：由底層開始建立完整的描述；或者從頂層開始將系統分解成各個子部分。許多領域的事實證明，由頂至下的方法是最清晰并且最有效的方法[WEIN75]。

本書采用的方法也遵循這一觀點，將自頂向下地描述計算機系統。從系統的主要部件開始，描述它的結構和功能，然后逐級深入推進到體系中的低層。這一部分的其余章節將為這種逐級推進的描述提供簡短概述。1.2.l 功能

從本質上來說，計算機的結構和功能運作都很簡單。圖1.1描述了計算機能夠完成的基本功能，概括起來有4項：

數據處理

數據存儲

數據傳送

控制

計算機當然能處理數據，數據可以有多種形式，處理的要求也是很廣泛的。但是數據處理的基本方法或類型只有幾種。

存儲數據也很重要。即使簡單地處理數據(即數據輸入并處理，結果直接輸出)，計算機也必須在某個特定的時刻存儲它正在運算的數據值。因此，計算機至少要有短期數據存儲功能。計算機的長期數據存儲功能也同樣重要。存儲在計算機內的數據文件可用于以后的檢索或更新。

計算機必須能在它自身與外界之間傳送數據。計算機操作環境包含了作為數據源或目標的設備。當由直接與計算機相連的設備接收數據或向其發送數據時，這個過程稱為輸入輸出(I/O)，這個設備稱為外圍設備(pcripheral)。當數據傳至遠處，或從遠方設備接收時，這個過程稱為數據通信。

，必須對這3種功能進行控制。這種控制功能最終是由給計算機提供指令的人來施加的。在計算機系統中，控制器根據這些指令管理計算機的資源，并協調各個功能部件的操作方式。

在這種通常討論的級別上，能夠完成的操作非常少。圖1.2描述了4種可能的操作類型。計算機作為數據傳送設備(如圖1.2(a)所示)，只需簡單地將數據從一個外設或通信線路傳到另一個。計算機同樣可作為數據存儲設備(如圖l。2(b)所示)，將數據從外部環境傳送到計算機存儲器(讀)，反之亦然(寫)。的兩個圖表示涉及計算機中的數據處理操作，數據或者在存儲器中(圖1.2(c))，或者在存儲器與外部環境之間的路徑中(圖1.2(d))。

前面的討論似乎過于概括，即使在計算機結構的較高層，區分許多不同的功能仍是可能的。但是，這里可以引用參考文獻[smw82]中的一段話：

“為適應功能而改變計算機結構的情況很少發生。計算機的通用性是根本’所有的功能專門化均發生在編程階段，而不是設計階段。”

1.2.2 結構

圖1.3是對計算機盡可能簡單的描述。計算機是以某種方式與其外部環境交互的實體。概括地說，與外部環境的所有連接可以劃分為外圍設備和通信線路。后面將會討論這兩種連接。

本書最關心的是計算機本身的內部結構，它在圖1.4中以高層表示，有4種主要的結構組件。

……